米勒循環(huán)下不同配比生物柴油對柴油機性能的影響

莫清烈，胡 杰，曹文通，姜 峰，周俊明

（廣西科技大學 機械與汽車工程學院，廣西 柳州 545616）

0 引言

我國幅員遼闊，交通運輸行業(yè)發(fā)展十分迅速。在我國交通體系中，柴油機的應(yīng)用十分廣泛。但是在追求經(jīng)濟和動力的同時，使用柴油機帶來的環(huán)境問題也日益突出。柴油機運用米勒循環(huán)作為一種有效降低柴油機NO排放的手段正逐步被廣泛應(yīng)用，米勒循環(huán)的大規(guī)模運用有助于提高機車柴油機的動力性能。近年來，國內(nèi)外許多研究人員對機車米勒循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展進行了大量的研究。杜輝等運用GT-Power軟件對渦輪增壓商用車的汽油機進行計算分析，研究了米勒循環(huán)技術(shù)與低壓廢氣再循環(huán)技術(shù)對汽油機車的影響，進一步改善了燃油的經(jīng)濟性。Guan等通過延遲關(guān)閉進氣門對米勒循環(huán)運行進行優(yōu)化，減少了發(fā)動機的一氧化氮排放量。王磊等通過GT-Power 軟件構(gòu)造了物理模型，提出基于米勒循環(huán)的柴油機NO排放強度控制方法，提高了控制精度與效率。Lin 等通過詳細的數(shù)值算法，用有限時間熱力學方法分析了四沖程自由活塞發(fā)動機運用米勒循環(huán)的性能，大大降低了傳熱損失和摩擦損失對性能的負面影響，使發(fā)動機具有更高的效率。賈亢等通過對廢氣再循環(huán)、米勒循環(huán)和進氣加濕等多種措施耦合來減少NO排放。Oh等通過進行熱力學循環(huán)分析來控制進氣門或排氣門關(guān)閉正時，改進了米勒循環(huán)，減少壓縮功，從而提高熱效率和減少氮氧化物排放。米勒循環(huán)實現(xiàn)方式有兩種：一種是改變進氣凸輪型線，保持進氣門開啟時刻不變，將進氣門關(guān)閉時刻提前，即改變進氣門升程曲線，亦稱之為變凸輪型線；另一種是改變進氣凸輪安裝角度來達到變氣閥重疊角的目的，進氣門開啟與關(guān)閉時刻會同時改變，稱之為變氣閥重疊角。米勒循環(huán)是將進氣門提前到下止點前的某個角度關(guān)閉，在進氣沖程中進入氣缸的氣體會在活塞下行的過程中獲得一個額外的膨脹，若要增大膨脹比，須增大壓縮比。而米勒循環(huán)技術(shù)將進氣門提前關(guān)閉在下止點前一個角度，導致缸內(nèi)進氣量減少，而發(fā)動機循環(huán)噴油量保持不變，進氣量減少導致燃料的燃燒不充分。隨著進氣門提前角增大，增壓壓力隨之升高，在此條件下可使缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力趨于不變，同時增加缸內(nèi)進氣量，使得柴油機在運用米勒循環(huán)時平穩(wěn)運行。同傳統(tǒng)柴油機循環(huán)相比，米勒循環(huán)減小了燃燒開始時的缸內(nèi)平均溫度，大大降低了NO的排放。

圖1 為米勒循環(huán)與傳統(tǒng)柴油機沖程曲線對比圖。曲線8-1-2-3-4-5-6-7-8為傳統(tǒng)柴油機循環(huán)過程，進氣沖程為曲線8-1，壓縮沖程為曲線1-2，燃燒膨脹沖程為曲線2-3-4-5，排氣沖程為曲線5-6-7。米勒循環(huán)過程則為曲線8′-9′-1′-2′-3′-4′-5′-6′-7′-8′。其中，進氣沖程為曲線8′-9′，壓縮沖程為曲線1′-2′，燃燒膨脹沖程為曲線2′-3′-4′-5′，排氣沖程為曲線5′-6′-7′。目前國內(nèi)外研究人員主要針對米勒循環(huán)對發(fā)動機性能的作用展開研究，而關(guān)于不同米勒循環(huán)對于發(fā)動機性能作用效應(yīng)的研究較少。通過對大功率柴油機在同一負載下運用兩種米勒循環(huán)燃用類別不同的生物柴油進行分析，研究柴油機在不同米勒循環(huán)方式和不同米勒度下對功率、油耗、NO排放等性能的影響，進而為米勒循環(huán)的后續(xù)研究提供參考。

圖1 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）米勒循環(huán)與傳統(tǒng)柴油機沖程曲線對比圖

1 模型建立與驗證

生物柴油是一種綠色可再生能源，與普通柴油相比，生物柴油具有明顯的優(yōu)勢，其應(yīng)用和發(fā)展前景十分樂觀。目前主要是對生物柴油的密度、冷濾點、十六烷值和運動黏度的理化特性進行研究。本文所研究的柴油機功率較大，采用的是渦輪增壓和電控單體泵燃油噴射技術(shù)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。利用發(fā)動機仿真軟件GT-Power對柴油機進行仿真計算建模，如圖2所示。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

圖2 柴油機仿真模型

為了對GT-Power 軟件搭建的柴油機模型進行可靠性分析，選用標定功率且轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，燃用3種不同配比生物柴油B10、B20、B50與純柴油B0 缸內(nèi)燃燒壓力的仿真值與實驗值進行對比，其對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）缸內(nèi)燃燒壓力對比

圖3 （續(xù)）

從圖3可知，燃用純柴油時，缸內(nèi)燃燒壓力仿真值最大為16.1 MPa，實驗值最大為16.7 MPa，最大缸內(nèi)壓力仿真值與實驗值誤差為3.6%；燃用B10、B20、B50 生物柴油時，實驗值與仿真值分別為3.5%、3.4%、3.5%。由結(jié)果可知，實驗值與仿真值誤差較小，符合計算誤差范圍；因此，該仿真模型準確性較好，可以用于后續(xù)柴油機燃用生物柴油應(yīng)用兩種米勒循環(huán)分析。

2 生物柴油應(yīng)用米勒循環(huán)性能優(yōu)化分析

本文研究不同配比生物柴油（B0、B10、B20、B50）應(yīng)用兩種米勒循環(huán)方式對某大功率柴油機性能的影響，綜合柴油機各性能參數(shù)與生物柴油的理化特性，觀察柴油機的功率（扭矩與功率呈線性關(guān)系，扭矩變化趨勢與功率變化趨勢相似）、油耗和NO排放，從而選取最佳米勒循環(huán)方式和最優(yōu)米勒循環(huán)角度。

2.1 功率對比優(yōu)化分析

圖4為在兩種米勒循環(huán)下燃用不同配比生物柴油的功率對比。

圖4 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）不同配比生物柴油兩種米勒循環(huán)功率對比

圖4 （續(xù)）

由圖4 可知，在0～30 °CA 范圍內(nèi)，兩種米勒循環(huán)下的功率均逐步提升，這是由于隨著米勒度變大，增壓壓力也逐漸增大，缸內(nèi)進氣量增多，燃燒更加完全，功率增大。與變氣閥重疊角米勒循環(huán)相比，變凸輪型線米勒循環(huán)表現(xiàn)較差。在40～70°CA范圍內(nèi)，功率在兩種米勒循環(huán)的作用下都逐步下降，這是由于隨著米勒度變大，增壓壓力提高，進氣量增多，超過燃料完全燃燒所需的量，功率下降，但變氣閥重疊角米勒循環(huán)逐步開始好于變凸輪型線米勒循環(huán)；因此，30°CA 是該柴油機功率發(fā)生改變的轉(zhuǎn)折點。綜合分析可知，兩種米勒循環(huán)的功率變化趨勢基本不變，在兩種米勒循環(huán)下燃用純柴油的功率最大差值在70°CA，大小約為24 kW；最小差值在40°CA，大小約為13 kW。在燃用B50生物柴油時，功率最大差值約為33 kW（70°CA），最小差值約為12 kW（40°CA）。

圖5 和圖6 分別為柴油機燃用不同配比生物柴油時兩種米勒循環(huán)的功率變化對比。

圖5 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）變氣閥重疊角不同配比生物柴油功率對比

圖6 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）變凸輪型線不同配比生物柴油功率對比

在0～20°CA 范圍內(nèi)，兩種米勒循環(huán)下燃用不同配比生物柴油的功率均逐步上升，這是因為在兩種循環(huán)下的進氣量都有所增加，使燃燒變得充分，功率上升，且最大上升幅度分別是1.57%和1.79%。在20～70°CA范圍內(nèi)，兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的功率均有所下降，這是由于隨著米勒度的增大，進氣持續(xù)時間降低，從排氣道流出新鮮空氣較少。

由圖5 和圖6 可知，兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的功率均隨著燃油配比增大呈遞減趨勢，且遞減幅度增大。在變凸輪型線米勒循環(huán)中，純柴油產(chǎn)生的最大功率為3 047 kW，B50生物柴油產(chǎn)生的最大功率為2 805 kW，在變氣閥重疊角米勒循環(huán)中，純柴油產(chǎn)生的最大功率為3 061 kW，B50 生物柴油產(chǎn)生的最大功率為2 816 kW。

2.2 油耗對比優(yōu)化分析

圖7為在兩種米勒循環(huán)下燃用不同配比生物柴油的油耗對比。

圖7 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）不同配比生物柴油兩種米勒循環(huán)油耗對比

由圖7可知，在0～20°CA范圍內(nèi)，在變氣閥重疊角米勒循環(huán)下油耗變化明顯，這是由于變凸輪型線米勒循環(huán)進氣流量比變氣閥重疊角米勒循環(huán)要低一些，變凸輪型線米勒循環(huán)油氣混合較充分，燃燒較完全，功率較高，油耗較低。在20～30°CA范圍內(nèi)，在兩種循環(huán)方式的作用下，油耗量都在逐漸提升，與變氣閥重疊角米勒循環(huán)相比，變凸輪型線米勒循環(huán)表現(xiàn)較差；因此，20°CA為該柴油機燃用不同配比生物柴油油耗變化的拐點。在30～40°CA范圍內(nèi)，變氣閥重疊角米勒循環(huán)下的油耗量逐漸開始高于變凸輪型線米勒循環(huán)，這是由于此時變凸輪型線米勒循環(huán)進氣流量要高于變氣閥重疊角米勒循環(huán)，燃燒較完全，功率較高，油耗較低。在40～70°CA范圍內(nèi)，在兩種循環(huán)方式作用下，油耗量都在逐漸提升。造成這種現(xiàn)象的原因是隨著米勒度的進一步增大，缸內(nèi)進氣量減少，燃油與新鮮空氣得不到充分混合，燃燒不充分，為滿足功率輸出，需增加不同配比生物柴油，這就導致了油耗增加。

圖8 和圖9 分別為柴油機燃用不同配比生物柴油時兩種米勒循環(huán)油耗變化對比。

圖8 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）變氣閥重疊角不同配比生物柴油油耗對比

圖9 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）變凸輪型線不同配比生物柴油油耗對比

在0～20°CA范圍內(nèi)，兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的油耗均呈下降的趨勢，當米勒度為20～70°CA時，兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的油耗均呈上升趨勢。這是由于循環(huán)噴油量不變，功率隨米勒度的增大而先升高后下降；因此，油耗出現(xiàn)先下降后升高。由圖8和圖9可知，兩種米勒循環(huán)方式下對應(yīng)的油耗變化趨勢相似，油耗隨著生物柴油配比變大而增大。當燃用B50生物柴油且米勒度為70°CA時柴油機燃油消耗率最高，變氣閥重疊角模式為252 g（/kW·h），變凸輪型線模式為245 g（/kW·h）；在米勒度為20°CA時柴油機燃油消耗率最低，變氣閥重疊角模式為211 g（/kW·h），變凸輪型線模式為212 g（/kW·h）。而燃用純柴油時，在米勒度為70°CA時柴油機燃油消耗率最高，變氣閥重疊角模式油耗最高為234.5 g（/kW·h），變凸輪型線模式油耗最高為227.9 g（/kW·h）；在米勒度為20°CA時柴油機燃油消耗率最低，變氣閥重疊角模式油耗最低僅為196 g（/kW·h），變凸輪型線模式油耗最低為197.5 g（/kW·h）。

2.3 碳煙排放對比優(yōu)化分析

圖10 為在兩種米勒循環(huán)下燃用不同配比生物柴油的碳煙排放對比。

圖10 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）不同配比生物柴油在兩種米勒循環(huán)下碳煙排放對比

圖10 （續(xù)）

由圖10 可知，在0～40°CA 范圍內(nèi)，兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的碳煙排放均為下降趨勢。兩種米勒循環(huán)在米勒度為20°CA 左右碳煙排放相差較大，這是由于兩種米勒循環(huán)在米勒度為20°CA 時進氣量有差異，進氣量增加使不同配比生物柴油燃燒充分，減少了碳煙排放。

在40～70°CA范圍內(nèi)，變氣閥重疊角米勒循環(huán)所產(chǎn)生的碳煙排放開始上升，且上升幅度較大，變凸輪型線米勒循環(huán)產(chǎn)生的碳煙排放則持續(xù)下降。這是由于進氣量保持持續(xù)增加，使變凸輪型線米勒循環(huán)缸內(nèi)燃燒更充分，變凸輪型線米勒循環(huán)所產(chǎn)生的碳煙排放持續(xù)下降；因此，40°CA 為該柴油機燃用不同配比生物柴油碳煙排放變化拐點。

圖11 和圖12 分別為柴油機燃用不同配比生物柴油時兩種米勒循環(huán)碳煙排放對比。

圖11 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）變氣閥重疊角不同配比生物柴油碳煙排放對比

圖12 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）變凸輪型線不同配比生物柴油碳煙排放對比

在0～40°CA范圍內(nèi)，兩種米勒循環(huán)所產(chǎn)生的碳煙排放均呈下降趨勢，這是由于缸內(nèi)進氣量逐漸變大，混合氣燃燒愈加充分，使碳煙排放降低。變凸輪型線米勒循環(huán)在10～20°CA時產(chǎn)生的碳煙排放變化不明顯。在40～70°CA范圍內(nèi)，變氣閥重疊角米勒循環(huán)所產(chǎn)生的碳煙排放為上升趨勢，且在米勒度大于50°CA時碳煙排放上升幅度大，這是由于米勒度進一步增大，大量新鮮空氣開始從排氣道流出，進氣流量減少，燃燒不充分使缸內(nèi)溫度下降，碳煙排放升高；變凸輪型線米勒循環(huán)碳煙排放則持續(xù)下降，且在米勒度大于40°CA時碳煙排放的下降幅度緩慢。

燃用純柴油產(chǎn)生的碳煙排放：在米勒度為40°CA時，變氣閥重疊角模式為17.2 g/m，變凸輪型線模式為17.2 g/m；在米勒度為70°CA時，變氣閥重疊角模式為33.2 g/m，變凸輪型線模式為10.2 g/m。燃用B50 生物柴油產(chǎn)生的碳煙排放：在米勒度為40°CA時，變氣閥重疊角模式為11.3 g/m，變凸輪型線模式為11.2 g/m；在米勒度為70°CA時，變氣閥重疊角模式為20.7 g/m，變凸輪型線模式為6.1 g/m。在變凸輪型線米勒循環(huán)時，燃用純柴油與B50 生物柴油產(chǎn)生的碳煙排放差值：米勒度為0°CA時為9.2 g/m，米勒度為40°CA 時為6 g/m，米勒度為70°CA時為4.1 g/m。

2.4 NOx排放對比優(yōu)化分析

圖13 為在兩種米勒循環(huán)下燃用不同配比生物柴油的NO排放對比。

圖13 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）不同配比生物柴油兩種米勒循環(huán)下NOx排放對比

圖13 （續(xù)）

由圖13 可知，在0～70°CA 范圍內(nèi)，兩種米勒循環(huán)下NO排放都逐漸下降，與變凸輪型線米勒循環(huán)相比，變氣閥重疊角米勒循環(huán)表現(xiàn)較差。這是由于隨著米勒度增大，變氣閥重疊角米勒循環(huán)進氣量逐漸減小，降低了缸內(nèi)氧含量；而變凸輪型線米勒循環(huán)進氣量逐漸增多，燃燒充分，溫度升高，NO排放較大。另外由于循環(huán)噴油量不變，進氣量逐漸增加，超過完全燃燒所需的量，多余空氣量對缸內(nèi)起到冷卻作用，使得缸內(nèi)溫度進一步下降，導致NO排放下降。

在米勒度為70°CA 時兩種米勒循環(huán)燃用不同配比生物柴油產(chǎn)生的NO排放相近。當該柴油機在米勒度為70°CA 且燃用B20 生物柴油時，與變凸輪型線米勒循環(huán)相比，變氣閥重疊角米勒循環(huán)表現(xiàn)較好。這是由于NO排放的產(chǎn)生與缸內(nèi)溫度、含氧量有關(guān)。由于NO的形成機理，燃燒狀態(tài)處于“高溫、富氧”狀態(tài)，變凸輪型線米勒循環(huán)進氣量持續(xù)增加，燃燒更加完全，缸內(nèi)溫度高；變氣閥重疊角米勒循環(huán)高壓力的進氣將部分廢氣擠壓在缸內(nèi)，降低了缸內(nèi)含氧量，缸內(nèi)溫度保持在較低水平；因此，變凸輪型線米勒循環(huán)產(chǎn)生的NO排放高于變氣閥重疊角米勒循環(huán)產(chǎn)生的NO排放，且隨著溫度與含氧量的不斷增大，NO排放也逐漸增大。

圖14 和圖15 分別為柴油機燃用不同配比生物柴油時兩種米勒循環(huán)的NO排放變化對比。

圖14 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）變氣閥重疊角不同配比生物柴油NOx對比

圖15 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）變凸輪型線不同配比生物柴油NOx對比

由圖14 和圖15 可知，柴油機燃用不同配比生物柴油時，變凸輪型線米勒循環(huán)與變氣閥重疊角米勒循環(huán)產(chǎn)生的NO排放均呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于米勒度進一步增大，使進氣流量逐漸增大，大量新鮮空氣開始從排氣道流出，進氣流量減少，燃燒不充分使缸內(nèi)溫度下降，NO排放減少。在相同米勒度下，燃用純柴油NO排放最低。當柴油機燃用純柴油且米勒度為0°CA時，柴油機NO排放最高，變氣閥重疊角模式NO排放最高為10.2 g（/kW·h），變凸輪型線模式為10.1 g（/kW·h）；在米勒度為70°CA 時柴油機NO排放最低，變氣閥重疊角模式NO排放最低僅為5.7 g（/kW·h），變凸輪型線模式NO排放最低為5.8 g（/kW·h）。

所以，在米勒度一致的情況下，變凸輪型線米勒循環(huán)比變氣閥重疊角米勒循環(huán)更能明顯影響NO的排放效果；因此，在米勒度為30°CA 時，使用變氣閥重疊角米勒循環(huán)并燃用B10生物柴油為提高該柴油機性能的較優(yōu)方案；在燃用B10 生物柴油時，米勒度為20°CA方案亦可達到相近效果；在米勒度30°CA時，燃用B20生物柴油方案效果次之。

3 結(jié)論

1）由研究分析可知，兩種米勒循環(huán)對柴油機燃用不同配比生物柴油的功率、油耗、NO排放變化趨勢一致，且柴油機燃用不同配比生物柴油時，30°CA是柴油機功率發(fā)生變化的拐點，20°CA是該柴油機油耗變化拐點，40°CA 是該柴油機碳煙排放的變化拐點。

2）柴油機燃用不同生物柴油運用兩種米勒循環(huán)時NO排放降低的效果顯著，變凸輪型線米勒循環(huán)排放效果低于變氣閥重疊角米勒循環(huán)，且NO排放在米勒度增加的過程中顯著降低。該柴油機采用純柴油時產(chǎn)生的NO排放量最低，燃用B50生物柴油所產(chǎn)生的NO排放量最高。

綜合分析可確定提升柴油機性能的最佳優(yōu)化方案為：采用變氣閥重疊角米勒循環(huán)，米勒度為30°CA，燃用B10生物柴油。